سیاهچاله ها یکی از عجیب ترین و جذاب ترین اجرام در فضا هستند. آنها بسیار متراکم هستند، با چنان جاذبه گرانشی قوی که حتی نور نیز اگر به اندازه کافی نزدیک شود، نمی تواند از محدوده آنها فرار کند.
آلبرت انیشتین برای اولین بار در سال 1916 با نظریه نسبیت عام خود وجود سیاهچاله ها را پیش بینی کرد. اصطلاح "سیاه چاله" سال ها بعد در سال 1967 توسط ستاره شناس آمریکایی جان ویلر معرفی شد. پس از چندین دهه که سیاهچاله ها تنها به عنوان اجرام نظری شناخته می شدند، اولین سیاهچاله فیزیکی در سال 1971 کشف شد.
سپس، در سال 2019، با همکاری تلسکوپ افق رویداد (EHT). اولین تصویر ثبت شده از یک سیاهچاله را منتشر کرد. EHT سیاهچاله را در مرکز کهکشان M87 دید در حالی که تلسکوپ افق رویداد یا منطقه ای را که هیچ چیز نمی تواند از سیاهچاله فرار کند، کاوش می کرد. تصویر از دست دادن ناگهانی فوتون ها (ذرات نور) را ترسیم می کند. اکنون که ستاره‌شناسان می‌دانند سیاهچاله چگونه به نظر می‌رسد، این یک زمینه کاملاً جدید از تحقیقات سیاهچاله را نیز باز می‌کند.
تاکنون، ستاره شناسان سه نوع سیاهچاله را شناسایی کرده اند: سیاهچاله های ستاره ای، سیاهچاله های کلان پرجرم و سیاهچاله های میانی.
سیاهچاله های ستاره ای - کوچک اما کشنده
وقتی ستاره آخرین سوخت خود را می سوزاند، جسم ممکن است سقوط کند یا به درون خود بیفتد. برای ستاره های کوچکتر (آنهایی که جرم آنها سه برابر خورشید است)، هسته جدید به یک ستاره نوترونی یا کوتوله سفید تبدیل می شود. اما هنگامی که یک ستاره بزرگتر فرو می ریزد، به فشرده سازی و ایجاد یک سیاهچاله ستاره ای ادامه می دهد.
سیاهچاله هایی که در اثر فروپاشی ستارگان منفرد به وجود آمده اند نسبتا کوچک هستند، اما به طرز باورنکردنی متراکم هستند. یکی از این اجسام بیش از سه برابر جرم خورشید را در قطر یک شهر جمع می کند. این منجر به یک مقدار دیوانه کننده نیروی گرانشی می شود که اجسام را به اطراف جسم می کشد. سپس سیاهچالههای ستاره‌ای، غبار و گاز کهکشان‌های اطراف را مصرف می‌کنند و باعث بزرگتر شدن اندازه آنها می‌شوند.
طبق مطالعه محققان UV Irvine در فوربس، "کهکشان راه شیری دارای 100 میلیون سیاهچاله است."
سیاهچاله های فوق العاده - تولد غول ها
سیاهچاله های کوچک در کیهان زندگی می کنند، اما پسرعموهای آنها، سیاهچاله های بسیار پرجرم، غالب هستند. این سیاهچالههای عظیم میلیون‌ها یا حتی میلیاردها بار از خورشید جرم‌تر هستند، اما قطرشان تقریباً یکسان است. تصور می‌شود که چنین سیاه‌چاله‌هایی تقریباً در مرکز هر کهکشانی از جمله کهکشان راه شیری قرار دارند.
دانشمندان مطمئن نیستند که چگونه چنین سیاهچاله های بزرگی ظاهر می شوند. هنگامی که این غول‌ها تشکیل می‌شوند، توده‌ای از غبار و گاز را در اطراف خود جمع می‌کنند، ماده‌ای که در مرکز کهکشان‌ها به وفور یافت می‌شود و به آنها اجازه می‌دهد تا به اندازه‌های بزرگتر هم رشد کنند.
سیاهچاله های پرجرم می توانند نتیجه صدها یا هزاران سیاهچاله کوچک با هم ادغام شوند. ابرهای گازی بزرگ نیز می توانند مسئول در هم فرو ریختن و به دست آوردن سریع جرم باشند. گزینه سوم فروپاشی یک خوشه ستاره ای است، گروهی از ستارگان که در کنار هم قرار می گیرند. چهارم، سیاهچاله های کلان جرم ممکن است رخ دهند خوشه های بزرگ ماده تاریک. این ماده ای است که ما می توانیم از طریق اثر گرانشی آن بر اجسام دیگر مشاهده کنیم. با این حال، ما نمی دانیم ماده تاریک از چه چیزی تشکیل شده است زیرا نور ساطع نمی کند و نمی توان مستقیماً آن را مشاهده کرد.
دانشمندان زمانی فکر می کردند که سیاهچاله ها فقط در اندازه های کوچک و بزرگ هستند، اما تحقیقات اخیر احتمال وجود سیاهچاله های متوسط یا متوسط (IMBH) را آشکار کرده است. چنین اجسامی می توانند زمانی تشکیل شوند که ستارگان در یک کاسه در یک واکنش زنجیره ای با هم برخورد کنند. تعدادی از این IMBH ها که در یک منطقه تشکیل می شوند، در نهایت می توانند در مرکز کهکشان با هم بیفتند و یک سیاهچاله کلان جرم ایجاد کنند.
در سال 2014، ستاره شناسان چیزی شبیه سیاهچاله با جرم متوسط را در دست یک کهکشان مارپیچی کشف کردند. و در سال 2021، اخترشناسان از یک انفجار پرتو گامای باستانی برای یافتن آن استفاده کردند.
تیم رابرتز، یکی از نویسندگان این مطالعه از دانشگاه دورهام در بریتانیا، گفت: ستاره شناسان به شدت به دنبال این سیاهچاله های با اندازه متوسط هستند. اشاراتی مبنی بر وجود آنها وجود داشت، اما IMBH مانند یک خویشاوند گمشده رفتار می کرد که علاقه ای به پیدا شدن نداشت.
تحقیقات جدیدتر در سال 2018 نشان می دهد که این IMBH ها ممکن است در قلب وجود داشته باشند کهکشان کوتوله (یا کهکشان های بسیار کوچک). مشاهدات 10 کهکشان از این قبیل (که پنج تای آنها قبلاً قبل از این آخرین مطالعه برای علم شناخته نشده بودند) فعالیت اشعه ایکس - که در سیاهچاله ها رایج است - نشان داد که وجود سیاهچاله هایی با جرم 36000 تا 316000 خورشیدی را نشان می دهد. اطلاعات از مطالعه آسمان دیجیتال اسلونکه حدود 1 میلیون کهکشان را مطالعه می کند و می تواند نوع نوری را که اغلب از سیاهچاله هایی که زباله های مجاور را جمع می کنند مشاهده می شود، تشخیص دهد.
سیاهچاله ها چه شکلی هستند؟
سیاهچاله ها سه «لایه» دارند: افق بیرونی و درونی رویدادها و تکینگی.
افق رویداد یک سیاهچاله مرزی در اطراف دهانه سیاهچاله است که نور نمی تواند از آن خارج شود. هنگامی که یک ذره از افق رویداد عبور کند، نمی تواند آن را ترک کند. گرانش در افق رویداد ثابت است.
ناحیه داخلی سیاهچاله، جایی که جرم جسم در آن قرار دارد، به عنوان تکینگی آن شناخته می شود، تنها نقطه ای در فضا-زمان که جرم سیاهچاله در آن متمرکز است.
دانشمندان نمی توانند سیاهچاله ها را همانطور که ستاره ها و دیگر اجرام را در فضا می بینند ببینند. درعوض، ستاره شناسان باید به تشخیص تشعشعات ساطع شده از سیاهچاله ها زمانی که غبار و گاز به موجودات متراکم کشیده می شوند، تکیه کنند. اما سیاهچاله های بسیار پرجرم در مرکز کهکشان می توانند در گرد و غبار و گاز غلیظی در اطراف خود پوشانده شوند که می تواند انتشارات خیانت آمیز را مسدود کند.
گاهی اوقات، وقتی ماده به سمت سیاهچاله کشیده می‌شود، از افق رویداد کمانه می‌کند و به جای کشیده شدن به دام، به بیرون پرتاب می‌شود. جت های روشنی از مواد ایجاد می شوند که با سرعت های تقریباً نسبیتی حرکت می کنند. اگرچه سیاهچاله نامرئی باقی می ماند، اما این جت های قدرتمند را می توان از فاصله بسیار دور دید.
که در تصویر یک سیاهچاله در M87 از تلسکوپ افق رویداد (منتشر شده در سال 2019) تلاش فوق العاده ای بود که نیاز به دو سال تحقیق داشت، حتی پس از گرفتن تصاویر. این به این دلیل است که همکاری تلسکوپ ها، که به رصدخانه های بسیاری در سراسر جهان گسترش می یابد، حجم شگفت انگیزی از داده ها را تولید می کند که برای انتقال از طریق اینترنت بسیار بزرگ است.
با گذشت زمان، محققان انتظار دارند سیاهچالههای دیگر را به تصویر بکشند و مخزنی از ظاهر اجرام ایجاد کنند. هدف بعدی احتمالاً Sagittarius A * است که سیاهچاله در مرکز کهکشان راه شیری خودمان است. قوس A * جذاب است زیرا ساکت تر از حد انتظار است که ممکن است به دلیل آن باشد میدان های مغناطیسی فعالیت آن را خفه می کند، مطالعه ای را از سال 2019 گزارش کرد. مطالعه دیگری در همان سال نشان داد که الف هاله گاز خنک اطراف قوس A *که نگاهی بی سابقه به محیط اطراف سیاهچاله می دهد.
نور درخشان در سیاهچاله های دوتایی
در سال 2015، ستاره شناسان با استفاده از یک رصدخانه امواج گرانشی با تداخل سنج لیزری (LIGO) امواج گرانشی را از همجوشی سیاهچاله های ستاره ای کشف کردند.
دیوید شومیکر، سخنگوی LIGO Scientific Colaboration (LSC) گفت: "ما تایید بیشتری در مورد وجود سیاهچاله هایی با جرم ستاره ای بزرگتر از 20 جرم خورشیدی داریم - اینها اجرامی هستند که قبل از کشف آنها توسط LIGO نمی دانستیم وجود دارند." در بیانیه ای گفت. مشاهدات LIGO همچنین ایده ای از جهت چرخش سیاهچاله به دست می دهد. از آنجایی که دو سیاهچاله در اطراف یکدیگر توقف می کنند، می توانند در یک جهت یا در جهت مخالف بچرخند.
دو نظریه در مورد چگونگی تشکیل سیاهچاله های دوتایی وجود دارد. اولین نشان می دهد که دو سیاهچاله تقریباً در یک زمان به شکل دوتایی هستند، از دو ستاره که با هم متولد شده و تقریباً در یک زمان به صورت انفجاری مرده اند. ستارگان همراه دارای جهت چرخش یکسانی با یکدیگر خواهند بود، بنابراین دو سیاهچاله باقی مانده نیز دارای جهت چرخش خواهند بود.
در مدل دوم، سیاهچاله های خوشه ستاره ای در مرکز خوشه فرو می روند و جفت می شوند. این ماهواره ها دارای جهت گیری دلخواه چرخش نسبت به یکدیگر خواهند بود. مشاهدات LIGO در مورد همراهی سیاهچاله‌ها با جهت‌گیری‌های چرخشی متفاوت شواهد قوی‌تری برای این نظریه شکل‌گیری ارائه می‌کند.
کیتا کاوابه، دانشمند LIGO از کالتک که در رصدخانه LIGO Hanford مستقر است، گفت: "ما شروع به جمع آوری آمار واقعی در مورد سیستم های سیاهچاله دوتایی کرده ایم." "این جالب است زیرا برخی از مدل‌های تشکیل سیاهچاله دوتایی حتی در حال حاضر تا حدودی بر سایرین ترجیح داده شده‌اند و می‌توانیم در آینده این را محدودتر کنیم."
حقایق عجیب در مورد سیاهچاله ها
- اگر در سیاهچاله بیفتید، این نظریه مدتهاست که نشان می دهد گرانش شما را مانند اسپاگتی می کشاند، حتی اگر قبل از رسیدن به تکینگی، مرگ شما فرا برسد. اما مطالعه‌ای در سال 2012 که در مجله نیچر منتشر شد، نشان می‌دهد که اثرات کوانتومی باعث می‌شود که افق رویداد بسیار شبیه یک دیوار آتش باشد که فوراً شما را تا حد مرگ می‌سوزاند.
- سیاهچاله ها بد نیستند. مکش ناشی از کشیدن چیزی در خلاء است که سیاهچاله عظیم قطعاً چنین نیست. در عوض، اجسام در آنها سقوط می کنند همانطور که به هر چیزی که گرانش اعمال می کند، مانند زمین می افتند.
- اولین جسمی که سیاهچاله در نظر گرفته شد Cygnus X-1 بود. Cygnus X-1 از سال 1974 موضوع یک شرط بندی دوستانه بین استیون هاوکینگ و فیزیکدان همکار کیپ تورن بوده است و هاوکینگ شرط بندی کرده است که منبع سیاهچاله نیست. در سال 1990، هاوکینگ شکست را پذیرفت.
- سیاهچاله های کوچک ممکن است بلافاصله پس از انفجار بزرگ شکل گرفته باشند. فضایی که به سرعت در حال گسترش است ممکن است برخی از مناطق را به سیاهچاله های کوچک و متراکم فشرده کرده باشد که جرم کمتری نسبت به خورشید دارند.
- اگر ستاره ای از نزدیکی یک سیاهچاله عبور کند، ستاره ممکن است پاره شود.
- ستاره شناسان تخمین می زنند که راه شیری بین 10 میلیون تا 1 میلیارد سیاهچاله ستاره ای دارد که تقریباً سه برابر جرم خورشید است.
- سیاهچاله ها غذای عالی برای کتاب ها و فیلم های علمی تخیلی هستند. فیلم Interstellar را ببینید که برای گنجاندن علم به شدت به Thorne متکی بود. کار تورن با تیم جلوه‌های ویژه فیلم، دانشمندان را به درک بهتری از چگونگی ظاهر شدن ستاره‌های دوردست در نزدیکی سیاه‌چاله‌ای که به سرعت در حال چرخش است، سوق داده است.
منابع اضافی: